除本身利益以外，至少有两个原因使得电子工程师十分关注运输业中可替代燃料开发。对于电源工程师来说，未来大多数汽车极可能使用电动机，或者是单独使用，或者是以某种混合形式使用。对数字技术高手来说，在汽车以及整个分布链上都有控制和监测的机会，这听起来好像是工作或者机遇。

发展的源动力

毫无疑问，最近的汽油价格引起了人们的关注。人们肯定注意到，我们正在使用大量的石油燃料，并从产油地进口大量石油(见图1)。这样就要考虑可替代的燃料。从整个大的方面来看，石油燃料的替代品将影响从发电到取暖，以至运输的许多领域。但对开车有什么具体的影响呢？

在了解车辆动力装置怎样产生动力以前，我们先看一下其本身。借用达尔文的比喻，目前最成功的新物种就是汽油/电力混合汽车，就好像虽然刚刚进入到了有袋动物阶段(不再是孵卵动物)，但还不是真正的哺乳动物。

最成功的亚物种的代表是丰田的Prius，在其中，启动电动交流发电机组合到常规燃气电动机传动链上了。本田的方法更精致一些，他们使用一个电动原动机和一个保持电池充满电的燃气发动机。总有一天，真正的哺乳类将是全部电气化的。但是，像负鼠和袋鼠一样，这些汽油-电动解决方法将会找到适合其将来生存的生态环境。

纯电动汽车已经制造出来了，有些还已经商用了，但是它们面临许多天敌。尽管如此，仔细研究一下已经过时的东西还是很有启发性的，看到幸存者如何成功地应对其竞争对手也是令人鼓舞的。

在今年3月，主编Mark David和我与通用汽车公司先进汽车技术中心的工程师见面时，他们给我们展示了从其EV-1车上回收的各种零件。EV-1项目从1996年延续到2003年。通用汽车公司制造了1000多辆汽车，将其租出三年(仅在加利福尼亚和亚利桑那)。

在该项目进行时，送回的汽车被重新整修、升级，再租出。使用一个早期铅酸电池，EV-1可以行驶55～95英里；用后来的镍金属氢化物(NiMH)电池，可以行驶75～130英里。可惜，到2003年之后，这些汽车中的大多数都被回收并销毁了。

令我震惊的是，在该项目实施的7年中，EV-1电子设备的体积和成本的减少程度。EV-1的第一个逆变器的体积与电冰箱门差不多大，而最后一个体积还不到其四分之一。充电站体积的变化也差不多。通用汽车公司的工程师表示，材料费用也降低了。

丰田的全电动RAV4 SUV也有一个类似的租赁项目，该项目结束时，公司将拆卸并销毁这些汽车，但在一个强大的平民抗议面前缓和了下来。我家屋顶的太阳能电池承包商就有一辆这种RAV4，要从他那而收回RAV4就像要把John Wayne的六发左轮手枪收回一样难。

通用的EV-1和丰田的电动RAV4是准产品汽车，本田的EV-Plus和通用以及福特的小型货运汽车也是。但它们后来怎样了呢？

通用为我们展示了几个电池供电的S-10小型货运汽车，这些车装有114马力三相液冷式交流感应电机驱动前轮，以及独立后轮轮毂电动机(见图3)。

这些车与通用汽车公司出租和销售给一些少量挑选用户的1998版S-10电动研究型车极其相似。只是，这些车现在已经装上了轮毂电动机。

在新版车中，驾驶员加速时，轮毂电动机扭矩增加了60%。每一个都产生25 kW的功率，也使每一个后轮的重量增加了33磅，这也是没有在前轮使用的原因。另外，也增加了防滑控制的可能。

另外，福特在1998～2004年间出租EV Ranger，2004年全部召回。而本田为有利于Insight车型的发展，放弃并召回了EV-Plus。

用氢驱动汽车

如果你采用燃料电池，就可以说是以氢驱动车的，但是除非有专用电源，否则实际上还是用电驱动的。(除福特的F-350 6.8升、V-10纯氢驱动内燃发动机概念小货车以外)。实际上，从本质上说，氢是一种能量储存和运输媒介。

Mark和我参观通用时，对早先的EV-1纪念车观察较少，更多的是看并驾驶该公司最新的概念车——HydroGen3。该纯电池、电动改进型Zafira A由欧宝(Opel)在欧洲销售，同时以其他通用汽车公司的品牌在世界各地销售(见图4)。该车上的惟一常规电池是启动计算机的电池，车上的200个微型燃料电池很容易装在Zafira发动机舱中，燃料电池产生大约200V电压。一个DC-DC转换器给发电机产生320V电压。

加注3.1kg氢，储存在一对10,000磅/每平方英寸油箱中，该油箱位于后座下。其压力为常规工业气体压力的3倍，所以，想起来还是有些可怕。但是，绝大多数工程师也不大在乎坐在几乎空的常规汽油箱上。

根据其所值，1公斤氢与1加仑汽油产生的能量几乎相等。但是如果不用效率数，将其与现实世界联系起来并不容易，而效率数不容易得到。用HydroGen3来替代这种方法。其行驶范围为150～180英里，即50～60英里/氢等效1加仑汽油的氢。最大速度为99英里/小时。在车内有４名健康美国男子的情况下，加速平稳。

通过比较，1.6升常规发动机Zafira A能在适度的13.4秒之内加速到62英里/小时，最高速度为109英里/小时。以法定标准英里/加仑的欧洲测量效率标准衡量，城市为30.1，城市远郊46.3，混合的为38.7。对最后一个数字，给定车辆的12.5法定加仑油箱，行驶距离则为480英里。

HydroGen3表明了现在可以使用一个气体氢燃料电池产生电力的电气发电机，制造欧洲标准尺寸小型车。除行驶距离减小60%以外，它能达到欧洲标准尺寸小型车的其他各种性能。迄今为止还是很好的。但氢从哪里来呢？

用我们今天的方法获取氢不是解除对石油的依赖的有效方法，这是因为大多数氢来自天然气。在该过程中，有些气体燃烧产生蒸汽，蒸汽加热到700°C～1100°C时，与天然气中的甲烷成分反应，产生一氧化碳(是一种温室气体)和氢。该过程可扩展至更低温度，通过使一氧化碳与更多的水反应，产生更多的氢。

电解水是另一种替代方法。尽管如此，是否实用还得看经济因素。目前，消耗的电比产生的氢所花费的费用高。有一种称为高温电解(THE)的工艺，使用核反应堆产生的热，其效率提高一倍。但是，这显然还需要商业化(图5)。

HTE的吸引力在于，同一个核电站可以在白天为电网发电的同时，在夜晚产生能量储存用氢。当前，还没有工业装置HTE在运行。爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)还在研究该技术的枝节部分。

更绿色(从字面上以及象征性来说)的产生氢的方法是使用藻类。通常，藻类细胞通过光合作用产生氧气。但是，除去硫以后，将会短暂产生氢。蛋白质聚集随后抑制了该过程。通过藻类连续产生氢似乎是生物工程学的问题。当然，创造用太阳能免费产生氢的藻类可能会碰到公共关系问题。

假设最终有了不使用石油的经济氢供应，下一个挑战是建立可以储存、运输和分配的基础设施。想想我们这些从事电子行业的人已经涉及日常处理大量液体氧，以及一些肮脏的气体，如硅烷、胂和金属有机物，发展一种安全的氢基础设施必定能够实现，更不用提大多数人自己加油这件事了。

对于发送问题，从供给源到消费者之间使用高压来运输和储存氢根本不实际。首先，将气体压缩到约30,000psi需要大量能量。因为液化需要消耗更多的能量，所以更不能考虑。

一个替代方法是将氢作为氨的成分来储存，氢可以通过催化重整装置，在转移点从氨中回收。另一个替代方法是作为金属氢储存，或者是硼氢化钠、氢化铝锂，或者是氨硼化氢。硼氢化钠是热门，因为它可以不用铂催化剂，直接作为燃料使用。另一方面，回收硼氢化钠耗能也很大。

储存在电池中的电能

对于像我的太阳能电池承包商和拥有全电式RAV4的人们，当听说到氢燃料汽车时，往往会反应强烈。他们崇拜其电池驱动汽车，指出通过简单使用现成元件，就可以达到2～3.3mi/kWh，而30mpg的车达到约0.9mi/kWh(假设1加仑汽油可以产生33.6kWh)。

但真实这么简单码？我住在硅谷，这里许多EV迷们自己改装车。一个海湾环境团体Acterra，花费了约7000美元将一辆MG Midget改装成一辆EV。(当然不是原装TD Midget，而是20世纪60年代版的)。像最初的Midget一样，EV版是虽然有其局限性，但你还是会喜欢上。最高速度为每小时65英里，行程约30英里。虽然魅力因素很高。

对于Acterra改装，去掉发动机、油箱、排气系统等。加上了一个20马力(最大60马力)。Prestolite系列直流电动机并通过一个适配板连接到标准变速箱，一个Auburn C600发动机控制器，12个12V、30XHS特洛伊高循环铅酸电池。用一个DC-DC转换器给一对凝胶电池充电，这些电池为12V前灯和类似的灯供电。

从商业的观点来说，保持EV不衰的是像三菱的Lancer Evolution MIEV这样的车。(其中的“I”表示轮内。)它的所有四个20英寸轮子都使用外转子发动机。每一个轮毂电机产生50 kW的功率和518牛顿米转矩。从零加速到60英里/小时用时不到8秒。最大速度约110英里/小时。能量来自一个锂离子电池。

纯电动车的缺点是行程和充电时间。我的太阳能电池板承包商的RAV4给出的出厂参数为，全充电情况下80～120英里。充电来自24个12V、95Ah的NiMH电池，其最大可能输出为27.4kWh。(实际行程取决于速度感应空气动力学阻力。最大速度80英里/小时，因而RAV4就是一个箱型猛兽。)

降低充电时间为电子工程师提供了一些有趣的可能性。在面向手提式设备和膝上型电脑的电池充电测量和充电电流领域，应用相当频繁。考虑如何把此种经验扩展到电动汽车电池中，会是很有趣的事。

在“泵”端，可以通过直接连接或感应连接充电。在后者中，将“操作杆”插入车上的槽中。操作杆包括一个变压器绕组，另一绕组就是车辆。操作杆显然具有安全优点。

有限的电池寿命似乎是所有电动车的伪缺陷。据电动研究院统计资料显示，“丰田的RAV4-EV使用原始NiMH电池成功运行了100,000多英里，预计可以达到130,000～150,000英里。”这比Electronic Design投稿人Bob Pease在其著名的1970 VW 甲壳虫中给出的英里数少不了多少。

作者：Roger Allan